(57)【要約】  デバイス特性の劣化を防止しつつ、キャリアを効率的に閉じ込めることができるフォトニック結晶デバイスを提供することを目的とする。屈折率の異なる媒質が規則的に配列されたフォトニック結晶を有するフォトニック結晶デバイスであって、フォトニック結晶中に、活性層（１２）と活性層（１２）の上部および下部のそれぞれに設けられ、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め層（１３，１４）とからなるコア層領域（１１）が設けられ、フォトニック結晶が、コア層領域（１１）よりもバンドギャップの大きな埋め込み成長層（１５）で形成されるものとした。
2011027555.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率の異なる第１及び第２の媒質が規則的に配列されたフォトニック結晶と、
前記フォトニック結晶中のコア層領域と
を備え、
前記コア層領域は、活性層と、前記活性層の上部および下部のそれぞれに設けられ、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め層とを有し、
前記フォトニック結晶を構成する前記第１及び第２の媒質のうち屈折率が大きい方の第１の媒質は、前記コア層領域よりもバンドギャップが大きいことを特徴とするフォトニック結晶デバイス。
【請求項２】
前記第１の媒質の熱伝導率は、前記活性層の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のフォトニック結晶デバイス。
【請求項３】
前記フォトニック結晶に、前記コア層領域と結合して光を導波する導波路が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のフォトニック結晶デバイス。
【請求項４】
前記導波路は、前記フォトニック結晶デバイスの光閉じ込め領域に閉じ込められる共振波長の光フィールドの延長線上に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のフォトニック結晶デバイス。
【請求項５】
前記フォトニック結晶は、複数の空気穴が周期的に設けられたものであり、
前記複数の空気穴のうち、前記コア層領域に隣接する空気穴における隣り合う空気穴同士の距離が、前記活性層と前記第１の媒質との等価屈折率差を小さくする距離であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のフォトニック結晶デバイス
【請求項６】
前記コア層領域は前記第１の媒質で覆われていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のフォトニック結晶デバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のフォトニック結晶デバイスを具備し、
光励起によりレーザ発振を行うと共に、励起光が前記コア層領域で主に吸収される構造とし、前記第１の媒質での励起光の吸収係数を前記キャリア閉じ込め層での吸収係数よりも小さくしたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項８】
発振波長が１５００ｎｍから１６００ｎｍの間に設定される場合に、前記コア層領域のバンドギャップのフォトルミネッセンス波長が１３００ｎｍから１４００ｎｍの間に設定されることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
屈折率変調に伴う透過率の変化を利用する半導体光スイッチであって、
請求項１から請求項６のいずれかに記載されたフォトニック結晶デバイスを具備することを特徴とする半導体光スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトニック結晶デバイスに関し、詳細には、半導体マイクロキャビティを用いた半導体レーザおよび半導体光スイッチに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増加により、ノード間を結ぶ伝送に光を用いてノード間の伝送容量を増加させている。これは、光の持つ低損失という特長を生かして大容量化を実現している。一方、データ通信装置内に搭載されるボード間、ラック間といった近距離の伝送においても高速性という特長を生かして電気の配線の置き換えが進んでいる。さらにはＬＳＩのチップ間、チップ内においても電気配線のボトルネックが指摘され、光による配線の可能性の検討が進められている。【０００３】
マイクロキャビティレーザは、このような用途に用いられる、大規模な光集積回路あるいはＬＳＩとの集積化を目指した、ミクロンオーダのサイズのレーザである。【０００４】
このような中で、非特許文献１に示されるように、フォトニック結晶共振器を持つ光励起型マイクロキャビティレーザが提案されている。ここで、非特許文献１のＦｉｇ．１（ｂ）に図示されるＨ0ナノレーザの電子顕微鏡による拡大図を図１８Ａに示し、非特許文献１のＦｉｇ．２（ｃ）に図示されるレーザ・スレッシュホールド上のモード強度特性およびレーザ・スペクトルを図１８Ｂに示し、非特許文献１のＦｉｇ．２（ｄ）に図示される正規化励起パワーと強度との関係を図１８Ｃに示す。これによると、フォトニック結晶共振器の一つである二次元スラブ型フォトニック結晶を用いて室温連続動作のレーザ発振が確認されている。しかしながら、明確に閾値を観測できているものの、閾値直上の動作までしか確認されていない。これは、以下の理由によるものである。マイクロキャビティレーザでは、活性層（コア層）の体積が通常のレーザに較べて二桁以上小さくなるため、室温連続発振を得るためには共振器の閉じ込めを大きくする必要があり、このため二次元スラブ型フォトニック結晶では半導体と空気の大きな屈折率差を用いている。これにより、高い光閉じ込めが実現でき室温連続動作が得られているが、その一方で、空気は熱伝導がきわめて小さいため、活性層で発生した熱が効率的に放熱できない。このため、励起強度を大きくしていくと活性層の温度上昇のため発振が停止し、大きな光強度が得られなくなる。また、高い光閉じ込めを実現するためには空気に挟まれた二次元スラブの膜厚揺らぎを小さくすることが重要であり、このため、マイクロキャビティレーザの光が広がっている全域にわたって同じ組成のエピタキシャル成長基板を用いる。しかしながら、このような同じ組成のエピタキシャル基板を用いた場合は、光励起により生成されたキャリアは等方向に拡散して共振器の外側に出てしまうため、励起されたキャリアが効率的にレーザ発振に変換されず、閾値の上昇と出力強度の低下をまねいていた。【０００５】
フォトニック結晶共振器は、フォトニック結晶内にキャリアを励起した際に伴う屈折率の変化を利用することで光スイッチとしても利用可能である。例えば非特許文献２では、フォトニック結晶内に構成された共振器中にキャリアを生成し、共振器の屈折率変調に伴う透過率の変化を光スイッチとして利用している。【０００６】
ただ、この場合も前述のレーザと同様に、キャリアに対する閉じ込めが考慮されていないため、微小空間に励起されたキャリアは急速に拡散してしまい、極めて効率が悪いデバイスとなる。また、熱が拡散しにくい構造であるため、キャリアが緩和した際に発生する熱が蓄積し、それによる温度上昇がデバイスの特性を劣化させる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Kengo Nozaki et al., "Room temperature continuous wave operation and controlled spontaneous emission in ultrasmall photonic crystal nanolaser", Optics Express, Vol.15, No.12, pp. 7506 - 7514, 2007年6月11日
【非特許文献２】Takasumi Tanabe et al., "All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities", APPLIED PHYSICS LETTERS 87, 151112-1〜3, 2005
【発明の概要】
【０００８】
前述の通り、フォトニック結晶共振器によれば高い光閉じ込めを実現できる一方で、共振器内に生成するキャリアが活性部以外にも広く拡散してしまうために、キャリアの利用効率が低いという問題があった。また熱拡散しにくい構造であるため、フォトニック結晶共振器を用いたデバイスが動作時に発生する熱がフォトニック結晶共振器内に蓄積され、デバイス特性が劣化するという問題もあった。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、デバイス特性の劣化を防止しつつ、キャリアを効率的に閉じ込めることができるフォトニック結晶デバイスを提供することにある。
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明では、フォトニック結晶構造により形成された共振器を具備するフォトニック結晶デバイスにおいて、コア層と、コア層よりもバンドギャップの大きな埋め込み成長層とで構成したことを特徴とする。
【００１１】
すなわち、本発明の第１の態様は、屈折率の異なる第１及び第２の媒質が規則的に配列されたフォトニック結晶と、前記フォトニック結晶中のコア層領域とを備えるフォトニック結晶デバイスであって、前記コア層領域は、活性層と、前記活性層の上部および下部のそれぞれに設けられ、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め層とを有し、前記フォトニック結晶を構成する前記第１及び第２の媒質のうち屈折率が大きい方の第１の媒質は、前記コア層領域よりもバンドギャップが大きいことを特徴とする。前記活性層は、キャリアの注入により光を発振するものである。第１の態様のフォトニック結晶デバイスによれば、コア層領域の外部へのキャリアの拡散を低減することができる。
【００１２】
さらに、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記第１の媒質の熱伝導率が、前記活性層の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする。これにより、コア層領域で発生した熱を効率的に共振器外に拡散させることが可能となり、素子動作中のコア層領域の温度上昇を低減させることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記フォトニック結晶に、前記コア層領域と結合して光を導波する導波路が設けられていることを特徴とする。これにより、入出力光を導波路に結合させ、高効率に光を導波路と結合することができる。その結果、レーザと受信素子の間、あるいはそれらの素子の間のスイッチとを接続する導波路を構成でき、大規模な光集積回路等を作製できる。
【００１４】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記導波路が、前記フォトニック結晶デバイスの光閉じ込め領域に閉じ込められる共振波長の光フィールドの延長線上に配置されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係るフォトニック結晶デバイスにおいても、従来の方法と同様、フォトニック結晶を構成する複数の空気穴のうちの一部を他の空気穴の周期と比較してわずかにシフトすることにより共振器を作製することができるが、空気穴のシフト無しに共振器を形成することも可能である。
【００１６】
すなわち、本発明の第５の態様は、第１乃至第４のいずれかの態様において、前記フォトニック結晶は、複数の空気穴が周期的に設けられたものであり、前記複数の空気穴のうち、前記コア層領域に隣接する空気穴における隣り合う空気穴同士の距離が、前記活性層と前記第１の媒質との等価屈折率差を小さくする距離であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第６の態様は、第１乃至第５のいずれかの態様において、前記コア層領域が前記第１の媒質で覆われていることを特徴とする。本発明によれば、前記コア層領域が前記第１の媒質の下部に設けられる犠牲層の組成と同じ場合であっても、前記コア層領域が前記第１の媒質で覆われており、したがって空気穴と接していないため、当該コア層領域をエッチングせずに、前記犠牲層のみをエッチングして、エアブリッジ構造の二次元フォトニック結晶スラブを作製することができる。
【００１８】
さらに、本発明の第７の態様に係る半導体レーザは、請求項１から６のいずれかに記載のフォトニック結晶デバイスを具備し、光励起によりレーザ発振を行うと共に、励起光が前記コア層領域で主に吸収される構造とし、前記第１の媒質での励起光の吸収係数を前記キャリア閉じ込め層での吸収係数よりも小さくしたことを特徴とする。これにより、レーザ発振と直接結びつかない不要な光吸収が防止されて、発熱も防止される。その結果、発熱に起因した活性層の温度上昇が抑制されて、高出力化を行うことができる。
【００１９】
本発明の第８の態様に係る半導体レーザは、第７の態様において、発振波長が１５００ｎｍから１６００ｎｍの間に設定される場合に、前記コア層領域のバンドギャップのフォトルミネッセンス波長が１３００ｎｍから１４００ｎｍの間に設定されることを特徴とする。これにより、従来の９８０ｎｍ帯の励起光の場合と比較して不要な発熱を下げることができ、かつ加入者用レーザ等で広く用いられる１３００ｎｍ帯のレーザで励起することを可能とし、励起光源の低価格化も可能にした。
【００２０】
さらに、本発明の第９の態様に係る半導体光スイッチは、屈折率変調に伴う透過率の変化を利用する半導体光スイッチであって、第１から第６のいずれかの態様に係るフォトニック結晶デバイスを具備することを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、これまで実現できなかった、集積に適した低閾値かつ高効率なフォトニック結晶デバイス（半導体レーザ）および低パワー動作が可能なフォトニック結晶デバイス（半導体光スイッチ）を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの構造を示す模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの平面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２ＡのＩＩＢ−ＩＩＢ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスのキャリア注入構造の一例を示した模式図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の第１の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスのキャリア注入構造のもう１つの例を示した平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４ＡのＩＶＢ−ＩＶＢ線に沿った断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第２の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＶＢ−ＶＢ線に沿った断面図である。
【図６】図６は、本発明の第３の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの作製方法の手順を示した工程図である。
【図７】図７は、本発明の第４の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの作製方法の手順を示した工程図である。
【図８】図８は、本発明の第５の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの平面図である。
【図９】図９は、本発明の第６の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第７の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの平面図である。
【図１１】図１１は、第７の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの発振特性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、本発明の第８の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの平面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第９の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスの平面図である。
【図１４】図１４は、図１３のフォトニック結晶デバイス１２０の共振器（光閉じ込め領域）部分に閉じ込められる共振波長の光フィールドを計算した結果を示す図である。
【図１５】図１５は、共振器に閉じ込められる共振波長の光フィールドの延長線上に出力導波路を配置した半導体レーザを実現する場合の実施例を示す図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、図１５の半導体レーザの電子顕微鏡写真を示す図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、図１５の半導体レーザの測定結果を示す図である。
【図１７】図１７は、共振器に閉じ込められる共振波長の光フィールドの延長線上に入出力導波路を配置した光スイッチに実現する場合の実施例を示す図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、従来のフォトニック結晶の電子顕微鏡写真を示す図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、従来のフォトニック結晶の発振特性を示す図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、従来のフォトニック結晶の規格化発振特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）  
本発明の第１の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図１を参照して説明する。第１の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスは、屈折率の異なる媒質が規則的に配列されたフォトニック結晶を有するものである。フォトニック結晶は、例えば、複数の空気穴が周期的に設けられた二次元スラブである。図１に示すフォトニック結晶デバイス１０は、埋め込み成長層領域１５で構成されるフォトニック結晶中にコア層領域１１が設けられている。コア層領域１１は、活性層１２と、当該活性層１２の上部および下部のそれぞれに設けられたキャリア閉じ込め層１３，１４とを備える。
【００２５】
活性層１２は、キャリアの注入により光を励起する化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成されるものあって、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどが挙げられる。
【００２６】
キャリア閉じ込め層１３、１４は、キャリアの拡散を防ぐ化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成されるものあって、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＰなどが挙げられる。
【００２７】
埋め込み成長層領域１５は、コア層領域１１よりも熱伝導率が高く、且つコア層領域１１よりもバンドギャップの大きな化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成されるものあって、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰなどが挙げられる。埋め込み成長層領域１５の厚さとしては、例えば、２００ｎｍ〜４００ｎｍなどの厚さが挙げられる。
【００２８】
ここで、上述した構成のフォトニック結晶を有するフォトニック結晶デバイスを半導体レーザ（光半導体装置）に適用した場合について、図２〜図４を参照して説明する。
【００２９】
フォトニック結晶デバイス２０は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、埋め込み成長層領域２１に複数の空気穴２２がエッチングにより形成されたフォトニック結晶を有する。複数の空気穴２２のうち隣接する空気穴同士の間隔ａ１は、（フォトニック結晶デバイス２０の動作波長λ）／（埋め込み成長層領域２１の屈折率Ｎ）で求められる大きさに調整されており、複数の空気穴２２は規則的に配置されている。
【００３０】
埋め込み成長層領域２１には、屈折率の周期構造乱れ（欠陥領域）、すなわち空気穴が形成されない領域が設けられる。この欠陥領域内に、コア層領域２３が設けられる。したがって、コア層領域２３は空気穴２２に接しないように形成されている。言い換えると、コア層領域２３が埋め込み成長層領域２１で覆われている。コア領域２３は、活性層２４と、活性層２４の上部および下部のそれぞれに配置されるキャリア閉じ込め層２５、２６とを有する。これにより、上下のキャリア閉じ込め層２５、２６で囲まれる領域である活性層２４と一致する領域に、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め領域２８が形成される。
【００３１】
上述した構成としたことで、上下には空気により、二次元面方向には複数の空気穴２２により共振器が形成される。すなわち、キャリア閉じ込め領域２８から少なくとも２層目の空気穴２２と、フォトニック結晶デバイス２０の上面２０ａとその下面２０ｂとで囲まれる領域が、光を閉じ込める光閉じ込め領域２７となる。このように、光閉じ込め領域２７は、活性層２４よりも外側に広がる領域となる。
【００３２】
ここで、活性層２４へのキャリアの注入は、電流注入や光励起により行われる。電流注入による場合、例えば、図３に示すように、キャリア閉じ込め領域２８に近接して、イオンが注入されてｐ層３１およびｎ層３２がそれぞれ形成され、ｐ層３１およびｎ層３２の上部にＰ電極３３およびＮ電極３４がそれぞれ設けられる。電流注入はフォトニック結晶の平面方向（横方向）に行われる。電極３３、３４へ電流を注入することにより、活性層２４に注入されたキャリアがキャリア閉じ込め層２５、２６により閉じ込められる。
【００３３】
他方、光励起により活性層２４にキャリアを注入する場合について図４を参照して説明する。図４に示すように、励起光がキャリア閉じ込め層２５、２６および活性層２４で吸収される場合は、活性層領域全体にキャリアが閉じ込められることになる。すなわち、コア層領域２３全体が光励起キャリア閉じ込め領域４８となる。よって、活性層２４へキャリアを注入することができる。
【００３４】
したがって、本実施形態に係るフォトニック結晶デバイス２０によれば、フォトニック結晶中に、活性層２４とキャリア閉じ込め層２５、２６とを有するコア層領域２３が設けられ、フォトニック結晶が、コア層領域２３よりも大きなバンドギャップを有する埋め込み成長層２１で形成されることにより、コア層領域２３の外側へのキャリアの拡散を低減することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）  
本発明の第２の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図５を参照して説明する。第２の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、欠陥領域と空気穴を含む領域の両方にコア層領域を設けたデバイスであり、それ以外は上述した第１の実施形態のフォトニック結晶デバイスと同一の構造を有する。
【００３６】
フォトニック結晶デバイス５０は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、埋め込み成長層領域２１に複数の空気穴２２が周期的に設けられたフォトニック結晶を具備する。
【００３７】
フォトニック結晶デバイス５０には、欠陥領域が設けられ、この領域を中心としてコア層領域５３が設けられる。コア層領域５３は、欠陥領域を中心に空気穴の部分より大きく形成されており、例えば４層目の空気穴２２まで設けられる。コア層領域５３は、フォトニック結晶デバイス５０の上面５０ａの一部およびその下面５０ｂの一部を構成している。コア層領域５３は、活性層５４と、活性層５４の上部および下部のそれぞれに配置されるキャリア閉じ込め層５５、５６とを有する。これにより、上下のキャリア閉じ込め層５５，５６で囲まれる領域である活性層５４と一致する領域に、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め領域５８が形成される。
【００３８】
上述した構成としたことで、上下には空気により、二次元方向には複数の空気穴２２により共振器が形成される。すなわち、欠陥領域を中心として少なくとも２層目の空気穴２２と、フォトニック結晶デバイス５０の上面５０ａとその下面５０ｂとで囲まれる領域が、光を閉じ込める光閉じ込め領域５７となる。このように光閉じ込め領域５７は、フォトニック結晶デバイス５０の面方向にあっては、活性層５４の内側の領域となっている。
【００３９】
したがって、本実施形態に係るフォトニック結晶デバイス５０によれば、上述した第１の実施形態のフォトニック結晶デバイス２０と同様、コア層領域５３の外側へのキャリアの拡散を低減することができる。また、キャリア閉じ込め領域５８を光閉じ込め領域５７の外側に設けることができる。
【００４０】
なお、上記では、キャリア閉じ込め領域５８を光閉じ込め領域５７の外側に設けたフォトニック結晶デバイス５０を用いて説明したが、コア層領域５３の大きさを調整することで、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め領域と、光を閉じ込める光閉じ込め領域とをフォトニック結晶デバイスの面方向にて同じ大きさにしたフォトニック結晶デバイスとすることも可能である。このようなフォトニック結晶デバイスでは、光閉じ込め領域５７内では屈折率が均一であるため、従来の方法と同様、欠陥領域付近の空気穴を他の空気穴の周期と比較してわずかにシフトすることにより高い閉じ込めを持つ共振器を作製でき、上述したフォトニック結晶デバイス５０と同様な作用効果を奏する上に、発振閾値を小さくすることができる。
【００４１】
（第３の実施形態）  
本発明の第３の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図６を参照して説明する。第３の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、上述した第２の実施形態のフォトニック結晶デバイスと同じ構成を具備するものであって、埋め込み成長層領域を活性層よりも熱伝導率の大きい化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成したデバイスである。本実施形態では、エアギャップ構造とする際の犠牲層としてＡｌＡｓ層を用い、埋め込み成長層領域およびキャリア閉じ込め層として同一の化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）を用いた。
【００４２】
本実施形態に係るフォトニック結晶デバイスは、図６に示す手順にて作製される。まず、図６（ａ）に示すように、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法；Molecular Beam Epitaxy）により、ＧａＡｓ基板６１上にＡｌＡｓ犠牲層６２、ＧａＡｓ層（埋め込み成長層領域およびキャリア閉じ込め層）６３、ＩｎＧａＡｓ活性層６４を順番に成長させる。
【００４３】
続いて、図６（ｂ）に示すように、ＩｎＧａＡｓ活性層６４における後述するコア層領域を構成する箇所以外の部分をエッチングにより除去する。
【００４４】
再度、ＭＢＥ法により、図６（ｃ）に示すように、全面に亘ってＧａＡｓ層（キャリア閉じ込め層および埋め込み成長層領域）６５を成長させてエピタキシャル成長基板が得られる。
【００４５】
続いて、上述したエピタキシャル成長基板をドライエッチングにより、図６（ｄ）に示すように、複数の空気穴６６が形成される。複数の空気穴６６は、ＧａＡｓ層６５およびＧａＡｓ層６３に亘って形成されると共に、ＧａＡｓ層６５およびＩｎＧａＡｓ活性層６４ならびにＧａＡｓ層６３亘って形成される。複数の空気穴６６は、隣接する空気穴６６同士が周期的に配置され、且つ、ＩｎＧａＡｓ活性層６４が欠陥領域の中心をなすように形成される。
【００４６】
続いて、ＡｌＡｓ犠牲層６２を高温で酸化させたあとフッ化水素酸で酸化された層のみを空気穴６６を通してウエットエッチングする。これにより、図６（ｅ）に示すように、二次元方向にて空気穴６６で囲まれる領域の下層に空気穴６７が形成される。
【００４７】
よって、上述した手順にて、ＧａＡｓで形成される埋め込み成長層領域６３内に、ＩｎＧａＡｓで形成される活性層６４の上下をＧａＡｓで形成されるキャリア閉じ込め層６８ａ，６８ｂで構成したコア層領域６９が設けられると共に、コア層領域６９を含む埋め込み成長層領域６３内に複数の空気穴６６が設けられたフォトニック結晶デバイスを作製することができる。すなわち、光のフィールド分布とキャリアの分布がほぼ一致するマイクロキャビティレーザを作製することができる。
【００４８】
（第４の実施形態）  
本発明の第４の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図７を参照して説明する。第４の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、上述した第１の実施形態のフォトニック結晶デバイスと同じ構成を具備するものであって、埋め込み成長層領域を活性層よりも熱伝導率の大きい化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成したデバイスである。本実施形態では、エアギャップ構造とする際の犠牲層としてＩｎＧａＡｓ層を用い、埋め込み成長層領域およびキャリア閉じ込め層として同一の化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）を用いた。
【００４９】
本実施形態に係るフォトニック結晶デバイスは、図７に示す手順にて作製される。まず、図７（ａ）に示すように、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により、ＩｎＰ基板７１上にＩｎＧａＡｓ犠牲層７２、ＩｎＰ層７３、ＩｎＧａＡｓＰ層（キャリア閉じ込め層領域）７８ｂ、ＩｎＧａＡｓ活性層７４、ＩｎＧａＡｓＰ層（キャリア閉じ込め層領域）７８ａを順番に成長させる。
【００５０】
続いて、図７（ｂ）に示すように、後述するコア層領域７９を構成する箇所以外のＩｎＧａＡｓＰ層（キャリア閉じ込め層領域）７８ｂ、ＩｎＧａＡｓ活性層７４、ＩｎＧａＡｓＰ層（キャリア閉じ込め層領域）７８ａ部分をエッチングにより除去する。
【００５１】
再度、ＭＯＣＶＤ法により、図７（ｃ）に示すように、全面に亘ってＩｎＰ層（埋め込み成長層領域）７５を成長させてエピタキシャル成長基板が得られる。
【００５２】
続いて、上述したエピタキシャル成長基板をドライエッチングにより、図７（ｄ）に示すように、複数の空気穴７６が形成される。複数の空気穴７６は、ＩｎＰ層７５およびＩｎＰ層７３に亘って形成される。複数の空気穴７６は、隣接する空気穴同士が周期的に配置され、且つ、ＩｎＧａＡｓ活性層７４が欠陥領域の中心をなすように形成される。
【００５３】
続いて、ＩｎＧａＡｓ犠牲層７２を、空気穴７６を通してウエットエッチングする。これにより、図７（ｅ）に示すように、二次元方向にて空気穴７６で囲まれる領域の下層に空気穴７７が形成される。
【００５４】
よって、上述した手順にて、ＩｎＰ層７３およびＩｎＰ層７５で形成される埋め込み成長層領域内に、ＩｎＧａＡｓで形成される活性層７４の上下をＩｎＧａＡｓＰで形成されるキャリア閉じ込め層７８ａ，７８ｂで構成したコア層領域７９が設けられると共に、埋め込み成長層領域（７３および７５）内に複数の空気穴７６が設けられたフォトニック結晶デバイスを作製することができる。なお、本実施形態では一層のＩｎＧａＡｓ層７４をＩｎＧａＡｓＰ層で両側を挟んだ単一量子井戸構造としているが活性層の構造はこれに限るものではなく、複数のＩｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓＰバリア層を繰り返して用いた多重量子井戸構造、あるいは量子井戸構造を用いないバルク構造の活性層を用いることも可能である。
【００５５】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図８を参照して説明する。第５の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、フォトニック結晶を具備するものであって、コア層領域と結合する導波路が設けられたものである。
【００５６】
フォトニック結晶デバイス８０は、図８に示すように、埋め込み成長層領域８１に二次元方向に複数の空気穴８２が周期的に形成されたフォトニック結晶を有するものであるが、空気穴８２が形成されていない欠陥領域が図中の中心の長手方向に亘って設けられている。このように、フォトニック結晶に線状に設けられた欠陥を線欠陥といい、光の導波路として機能する。この欠陥領域の長手方向の中央付近にコア層領域８３が形成される。コア層領域８３および埋め込み成長層領域８１の組み合わせとしては、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓやＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰの組み合わせが挙げられる。これらのような構成とすることにより、レーザの発振波長が埋め込み成長層領域８１のバンドギャップ波長よりも長く、吸収がきわめて少ないものとなる。これにより、コア層領域８３の左側に第１の出力導波路８４が形成され、コア層領域８３の右側に第２の出力導波路８５が形成される。
【００５７】
１．５ミクロン帯で発振するレーザでは、隣接する空気穴同士の距離は、４２０ｎｍ付近で形成される。よって、コア層領域８３の活性層から発振する光は、反射率の最も低い方向に多く出力するため、フォトニック結晶デバイス８０の表面および裏面からは出射されず、第１の出力導波路８４を通ってフォトニック結晶デバイス８０の左側から出射されると共に、第２の出力導波路８５を通ってフォトニック結晶デバイス８０の右側から出射される。これにより、二次元スラブ面内にて効率的に光の取出しが可能となる。
【００５８】
よって、本実施形態に係るフォトニック結晶デバイス８０によれば、導波路８４、８５を通じて隣接して配置される他の光デバイスと容易に接続することができ、例えば、レーザと受信素子の間を接続する導波路などを構成することができ、大規模な光集積回路などが作製可能となる。
【００５９】
（第６の実施形態）  
本発明の第６の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図９を参照して説明する。第６の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、上述した第１の実施形態のフォトニック結晶デバイスと同じ構成を具備するものであって、埋め込み成長層を活性層よりも熱伝導率の大きい化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）で形成したデバイスである。本実施形態では、エアギャップ構造とする際の犠牲層としてＩｎＧａＡｓ層を用い、埋め込み成長層およびキャリア閉じ込め層として異なる化合物（ＩＩＩ−Ｖ族混合結晶）を用いた。
【００６０】
本実施形態に係るフォトニック結晶デバイス９０は、図９に示すように、ＩｎＰ基板９１上に、ＩｎＧａＡｓ犠牲層９２、ＩｎＰ埋め込み成長層領域９３が順番に形成されているものである。ＩｎＰ埋め込み成長層領域９３内にはコア層領域９４が設けられている。コア層領域９４は、ＩｎＧａＡｓで構成された活性層９５と、活性層９５の上部および下部のそれぞれに設けられた、上部および下部のＩｎＧａＡｓＰで構成されたキャリア閉じ込め層９６、９７とを有する。上部および下部のキャリア閉じ込め層９６、９７のバンドギャップ波長λｇを、それぞれ１．３５μｍとした。量子井戸による活性層９５のバンドギャップの波長を１．５５μｍとした。言い換えると、フォトニック結晶デバイス９０では、発振波長が１５００ｎｍから１６００ｎｍの間に設定され、光吸収層のバンドギャップのフォトルミネッセンス波長が１３００ｎｍから１４００ｎｍの間に設定される。これにより、通常光励起に用いられる９８０ｎｍのレーザを用いる場合と比較して不要な発熱を半分程度に抑えることができる。また、加入者用レーザ等で用いられる１３００ｎｍ帯のレーザで励起することが可能となり、励起光源の低価格化も可能となる。
【００６１】
したがって、上述したフォトニック結晶デバイス９０によれば、光励起によりレーザ発振を行い、励起光はコア層領域９４で主に吸収される構造であり、埋め込み成長層領域９３での励起光に対する吸収係数がキャリア閉じ込め層９６、９７での吸収係数よりも小さいものであることにより、レーザ発振とは直接結びつかない不要な光吸収を防ぎ、これに起因する活性層９５の温度上昇を防止することができ、高出力化を図ることができる。
【００６２】
（第７の実施形態）  
本発明の第７の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図１０および図１１を参照して説明する。第７の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、フォトニック結晶を具備するものであって、コア層領域と結合する導波路が設けられたものである。
【００６３】
フォトニック結晶デバイス１００は、図１０に示すように、埋め込み成長層領域１０１に二次元方向に複数の空気穴１０２が周期的に形成されたフォトニック結晶を有するものであるが、空気穴１０２が形成されていない欠陥領域が図中の中心の長手方向に亘って設けられている。この欠陥領域の長手方向の中央付近にコア層領域１０３が形成される。コア層領域１０３としては、上述した第６の実施形態のフォトニック結晶デバイス９０が具備するコア層領域９４と同じ化合物が挙げられる。これにより、コア層領域１０３の左側に入力導波路１０４が形成され、コア層領域１０３の右側に出力導波路１０５が形成される。
【００６４】
よって、コア層領域１０３を長手方向に光励起することが可能となる。これにより、キャリア閉じ込め層は、１．３μｍの光に対して大きな吸収係数（５０００ｃｍ-1以上）を持つため数ミクロンで８０％以上の吸収が得られる。
【００６５】
ここで、このようにして作製したフォトニック結晶デバイス（半導体レーザ）の入出力特性を図１１に示す。この図１１にて、横軸に入力光強度を示し、縦軸にファイバ出力強度を示す。図１１および図１８Ｂに示すように、閾値の２桁以上大きな入力光強度で励起することが可能となった。また、光励起により発生したキャリアを活性層に効率的に閉じ込めることが可能となったため閾値も１．５マイクロワットと非常に小さくなった。
【００６６】
（第８の実施形態）  
本発明の第８の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図１２を参照して説明する。第８の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、フォトニック結晶を具備するものであって、コア領域と結合する導波路が設けられたものである。
【００６７】
フォトニック結晶デバイス１１０は、図１２に示すように、埋め込み成長層領域１１１に二次元方向に複数の空気穴１１２が周期的に、例えば、隣接する空気穴１１２同士の間隔ａが４２０ｎｍで形成されたフォトニック結晶を有するものであるが、空気穴１１２が形成されていない欠陥領域が図中の中心の長手方向に亘って設けられている。この欠陥領域の長手方向の中央付近にコア層領域１１６が形成される。コア層領域１１６は、コア層と、コア層の下部および上部のそれぞれに形成され、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め層とを有する領域である。コア層領域１１６の左側に入力導波路１１７が形成され、コア層領域１１６の右側に出力導波路１１８が形成される。
【００６８】
コア層領域１１６に隣接する１層目の空気穴１１３は、コア層領域１１６から離れる方向にて７ｎｍシフトする箇所に形成される。具体的には、１層目の空気穴１１３は、コア層領域１１６の上側にあっては、フォトニック結晶デバイス１１０の一側部１１０ａ側に７ｎｍシフトする箇所に形成され、コア層領域１１６の下側にあっては、フォトニック結晶デバイス１１０の他側部１１０ｂ側に７ｎｍシフトする箇所に形成される。
【００６９】
コア層領域１１６に隣接する２層目の空気穴１１４は、コア層領域１１６から離れる方向に５ｎｍシフトする箇所に形成される。具体的には、２層目の空気穴１１４は、コア層領域１１６の上側にあっては、フォトニック結晶デバイス１１０の一側部１１０ａ側に５ｎｍシフトする箇所に形成され、コア層領域１１６の下側にあっては、フォトニック結晶デバイス１１０の他側部１１０ｂ側に５ｎｍシフトする箇所に形成される。
【００７０】
コア層領域１１６に隣接する３層目の空気穴１１５は、コア層領域１１６から離れる方向に３ｎｍシフトする箇所に形成される。具体的には、３層目の空気穴１１５は、コア層領域１１６の上側にあっては、フォトニック結晶デバイス１１０の一側部１１０ａ側に３ｎｍシフトする箇所に形成され、コア層領域１１６の下側にあっては、フォトニック結晶デバイス１１０の他側部１１０ｂ側に３ｎｍシフトする箇所に形成される。
【００７１】
上述したように、コア層領域１１６の周りにおいてわずかにシフトした空気穴１１３、１１４、１１５を設けたことにより、高いＱ値を持つ共振器とすることができる。
【００７２】
（第９の実施形態）  
本発明の第９の実施形態に係るフォトニック結晶デバイスについて、図１３を参照して説明する。第９の実施形態のフォトニック結晶デバイスは、フォトニック結晶を具備するものであって、コア層領域と結合する導波路が設けられたものである。
【００７３】
フォトニック結晶デバイス１２０は、図１３に示すように、埋め込み成長層領域１２１に二次元方向に複数の空気穴１２２が周期的に形成されたフォトニック結晶を有するものであるが、空気穴１２２が形成されていない欠陥領域が図中の中心の長手方向に亘って設けられている。この欠陥領域の長手方向の中央付近にコア層領域１２３が形成される。コア層領域１２３は、コア層と、コア層の下部および上部のそれぞれに形成され、キャリアを閉じ込めるキャリア閉じ込め層とを有する領域である。コア層領域１２３の左側に入力導波路１２４が形成され、コア層領域１２３の右側に出力導波路１２５が形成される。
【００７４】
本実施形態では、コア層領域１２３に近接する領域１２６においても、複数の空気穴１２２は他の箇所に設けられた複数の空気穴１２２と同様に、周期的に形成される。すなわち、コア層領域１２３に隣接する複数の空気穴１２２における隣り合う空気穴同士の距離が、コア層領域１２３に隣接しない複数の空気穴１２２における隣り合う空気穴同士の距離と同一であり、ここでは、４２２ｎｍである。
【００７５】
したがって、本実施形態に係るフォトニック結晶デバイス１２０によれば、共振器を形成するための空気穴の位置をシフトすること無しに活性層の高い屈折率により光を閉じ込め、不要な共振ピークを少なくすることが可能となる。
【００７６】
特にコア層領域１２３の活性層と埋め込み成長層領域１２１の屈折率差が大きくなる場合に有効である。活性層と埋め込み成長層領域１２１の屈折率差が大きくなる場合は、空気穴のシフトにより形成される共振器領域と活性層の高い屈折率領域の２つの空間的な分布が異なる。その場合は複合共振器となり、発振に不要な共振ピークが複数存在することになるが、空気穴１２２の位置をシフトすることを無くしたため、これを避けることが出来る。
【００７７】
空気穴のシフトを無くしてもコア層領域１２３の活性層と埋め込み成長層領域１２１の屈折率差が依然として大きく、複合共振器となって発振に不要な共振ピークが複数存在するような場合は、空気穴１２２をコア層領域１２３の活性層に近づく方向にシフトさせて活性層と埋め込み成長層領域１２１の屈折率差との屈折率差を小さくすることにより、共振器の特性を良くすることも可能である。
【００７８】
以上のように、本実施形態ならびに前述の第８の実施形態にて、コア層領域に近接する領域での空気穴による等価屈折率変化の微調整について言及したが、これらは何れも、高いＱ値を得るためにフォトニック結晶の共振器における等価屈折率の変化をなめらかにするものである。
【００７９】
なお、上述した第１〜第９の実施形態では、フォトニック結晶デバイスとして半導体レーザに適用した場合について説明したが、屈折率変調に伴う透過率の変化を利用する半導体光スイッチに適用することも可能である。半導体光スイッチに適用した場合であっても、上述したフォトニック結晶デバイスと同様な作用を奏し、集積に適した低パワー動作を実現できる。
【００８０】
本発明によれば、低閾値であり且つ高効率であるフォトニック結晶レーザおよび低パワー動作が可能な光スイッチが実現可能であるため、光通信産業界などにとって有用である。
【００８１】
図１４は、図１３のフォトニック結晶デバイス１２０の共振器（光閉じ込め領域）部分に閉じ込められる共振波長の光フィールドを計算した結果を示す図である。図１４に示されるように、フォトニック結晶の線欠陥導波路中に屈折率の大きなコア層を埋め込んだ構造では、四隅の斜め方向に光のフィールドが延びていることが分かる。従って、このような光フィールドを持つ共振器に出力導波路を結合させる場合には、図１３のようにコア層の長手方向に入出力導波路を設けるよりも、光フィールドの延長線上に配置した方が効率良く共振器と導波路を結合可能となる。
【００８２】
図１５は、半導体レーザを実現する場合の実施例を示している。本実施例の場合は、1.3ミクロンの波長の励起光でコア層を励起して1.55ミクロンのレーザ光を出力させている。1.55ミクロンに共振器波長を持つように設計した共振器は、1.3ミクロンの励起光に対しては通常の線欠陥と同様に働くため、図１３と同様にコア層の長手方向に設けられた線欠陥導波路を入力導波路１２４として用いている。しかしながら、図１４に示したように励起光により発振した1.55ミクロンのレーザ光は、活性層から斜め方向に光フィールドが延びているため、そのうちの一つの光フィールドと結合するように出力導波路１２５を設定している。
【００８３】
このような設計で作製した素子の電子顕微鏡写真と測定結果を図１６Ａ及び１６Ｂに示す。図１１と比較すると大幅に出力光強度が増加しており、最大で-10.5 dBmの出力光が出力導波路に結合した。なお、図１３に示した共振器では、４方向に等しく光フィールドが延びているので出力導波路数は1から4本まで自由に設定できる。
【００８４】
図１７は、本デバイスを1.55ミクロンで入出力する光スイッチに適用する場合の構成を示している。この場合、1.55ミクロンの光を共振器に入出力するため、どちらの導波路も活性層から見て斜め方向に設置されている。なお、入出力導波路と共振器の光の結合係数はコア層と導波路の距離と位置により自由に設定できる。
【図１】
2011027555.tif 000003
【図２Ａ】
2011027555.tif 000004
【図２Ｂ】
2011027555.tif 000005
【図３】
2011027555.tif 000006
【図４Ａ】
2011027555.tif 000007
【図４Ｂ】
2011027555.tif 000008
【図５Ａ】
2011027555.tif 000009
【図５Ｂ】
2011027555.tif 000010
【図６】
2011027555.tif 000011
【図７】
2011027555.tif 000012
【図８】
2011027555.tif 000013
【図９】
2011027555.tif 000014
【図１０】
2011027555.tif 000015
【図１１】
2011027555.tif 000016
【図１２】
2011027555.tif 000017
【図１３】
2011027555.tif 000018
【図１４】
2011027555.tif 000019
【図１５】
2011027555.tif 000020
【図１６Ａ】
2011027555.tif 000021
【図１６Ｂ】
2011027555.tif 000022
【図１７】
2011027555.tif 000023
【図１８Ａ】
2011027555.tif 000024
【図１８Ｂ】
2011027555.tif 000025
【図１８Ｃ】
2011027555.tif 000026
【国際調査報告】
2011027555.tif 000027
2011027555.tif 000028
2011027555.tif 000029
2011027555.tif 000030
2011027555.tif 000031
2011027555.tif 000032
2011027555.tif 000033